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Agenda Diodo – Introdução Materiais semicondutores, estrutura atômica, bandas de energia Dopagem – Materiais extrínsecos Junção PN Polarização de diodos Curva característica Modelo ideal e modelos aproximados Análise de circuitos básicos Tipos de diodo Exercícios 2

Agenda - drb-m.orgdrb-m.org/3mve/EletronicaAnalogica/3EletronicaGeral2.pdf · Curva característica de diodos • Curva característica completa: ~0,7V para Si ~0,3V para Ge Região

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  • Agenda

    • Diodo – Introdução

    • Materiais semicondutores, estrutura atômica, bandas de energia

    • Dopagem – Materiais extrínsecos

    • Junção PN

    • Polarização de diodos

    • Curva característica

    • Modelo ideal e modelos aproximados

    • Análise de circuitos básicos

    • Tipos de diodo

    • Exercícios

    2

  • IntroduçãoDiodo ���� dispositivo semicondutor de dois terminais com resposta V-I (tensão/corrente) não linear (dependente da polaridade!)

    Diodo ideal:• Símbolo:

    O diodo ideal:• pode ser considerado como uma chave que pode conduzir corrente

    somente em um sentido (definido pela seta do símbolo).

    � Fornece uma visão global sobre o comportamento do diodo, mas não representa características importantes do dispositivo!

    3

    A = Ânodo (ou anodo)K = cátodo

    (a) O Diodo conduz: ID > 0 se VD > 0 � VA > VK (a tensão no Anodo é maior que a tensão no cátodo)

    (b) O Diodo não conduz: ID = 0 se VD ≤ 0� VA ≤ VK (a tensão no Anodo é menor ou igual que a tensão no cátodo)

    A K

    + VD -

    ID

  • Introdução

    • Diodo ideal – resposta

    � O resistor linear:

    4

    0

    5

    10

    15

    20

    25

    30

    0 5 10 15

    I [mA]

    VR [V]

    R=500Ω

    Curva característica do diodo ideal

    ID

    VD

    Curto-circuitoRD = 0 Ω

    Circuito aberto

    RD = ∞ Ω

    Resposta não linear!

  • Materiais semicondutores

    • Semicondutores: possuem um nível de condutividade entre os extremos de

    um isolante e um condutor

    5

    Estrutura atômica do Si e Ge:

    Semicondutores mais utilizados:

    Si = Silício � mais produzido

    Ge = Germânio

    * Outros semicondutores:

    Carbono (C)

    GaAs, InP, InGaAs, InGaAsP, ZnSe, CdTe

    Elétrons de valência(camada de valência)

    Ligação covalente(Compartilhamento de elétrons)

    Representação 2D

  • • Estrutura cristalina do Silício

    �Material semicondutorIntrínseco: semicondutorque foi refinado para

    reduzir as impurezas a um

    nível muito baixo.

    � condutor fraco.

    Temperatura = 0K

    - Todas as ligações estão satisfeitas

    - Não há elétrons livres

    Representação 3D

    Temperatura ambiente

    - Algumas ligações estão “quebradas”

    - Há elétrons livres

    - Há lacunas

  • • Níveis de energia

    - Gaps: intervalos entre níveis de energia

    - O aumento da Temperatura pode liberar um elétron da estrutura cristalina.

    Este elétron é livre para condução na estrutura cristalina.

    * Obs.: Em materiais semicondutores, o aumento da temperatura do material confere maior energia aos

    elétrons da banda de valência, fazendo com que a quantidade de elétrons que atingem a banda de

    condução aumente. Com isso, pode-se dizer que a condutividade de materiais semicondutores aumenta com a

    temperatura, ao contrario dos materiais condutores, os quais perdem condutividade com o aumento da

    temperatura. Dizemos que os materiais semicondutores possuem coeficiente de temperatura negativo, enquanto

    os condutores possuem coeficiente de temperatura positivo.

  • � O aumento da Temperatura pode liberar um elétron da estrutura cristalina.

    Este elétron é livre para condução na estrutura cristalina.

    O elétron livre deixa um local livre com carga positiva chamado de lacuna (hole).

    Os elétrons livres e as lacunas não permanecem fixos na estrutura.

    Os elétrons livres e lacunas contribuem para a condução sobre a estrutura

    cristalina.

    A energia térmica pode gerar um par elétron livre – lacuna, resultando em uma

    condução fraca.

    Um elétron é livre até encontrar uma lacuna � Recombinação.

    ����Semicondutores puros não são úteis. Assim, semicondutores devem serrefinados e sofrer a adição de “impurezas” (dopagem) ���� melhora a condução!

  • • Dopagem: adição de átomos (impurezas) para modificar as propriedades

    elétricas de um semicondutor. ���� aumenta a condutividade!

    � Material extrínseco: semicondutor submetido ao processo de dopagem.

    ���� Material do Tipo n: semicondutor dopado com impurezas

    pentavalentes (5 elétrons de valência, atómos doadores) para criar elétrons livres.

    ���� Material do Tipo p: semicondutor dopado com impurezas trivalentes

    (três elétrons de valência, átomos aceitadores) para criar lacunas.

  • � Portadores majoritários e minoritários em materiais extrínsecos

    ���� Material do Tipo n: elétron é o portador majoritário e a lacuna é oportador minoritário;

    ���� Material do Tipo p: a lacuna é o portador majoritário e o elétron é oportador minoritário.

    � Os materiais dos Tipos n e p representam os blocos básicos deconstrução de dispositivos semicondutores!

    � Junção P-N: formada em semicondutores com ambos materiais tipo P e N- A separação das cargas na junção P-N constitui uma barreira de potencial

    (região de depleção); � formada no processo de fabricação;- A barreira de potencial pode ser ultrapassada através da aplicação de uma

    fonte externa de tensão.

    Blocos de materiais tipo N e P

    em contato � sem efeito.

    Semicondutor dopado com impurezas

    N e P desenvolve uma barreira de Potencial !

  • Polarização:• Polarização direta: aplicação de uma tensão positiva entre o anodo e catodo;

    Tensão suficiente para atravessar a barreira de potencial ����corrente elétrica• Polarização reversa: aplicação de uma tensão negativa entre o anodo e catodo;

    ���� Não há condução de corrente elétrica

    ���� O diodo (de junção PN): dispositivo unidirecional

    Polarização direta Polarização reversa

    Anodo

    (tipo P)

    Cátodo

    (tipo N)

  • Polarização de diodos

    • Polarização direta:- Circuito básico de polarização direta:

    �O diodo conduz a corrente elétrica.Considerações para polarização direta:

    - A tensão no ânodo (VA) deve ser maior que a tensão no

    cátodo (VK). Isto é, VA > VK- A queda de tensão no diodo (VD = VA – VK) deve ser maiordo que a tensão limiar do diodo (VT). Depende do material!

    ID

    VA VK+

    VD

    -

  • Polarização de diodos

    • Polarização direta:- Circuito básico de polarização direta:

    -A tensão limiar (threshold) do diodo (VT) depende do material semicondutor. Os materiais mais utilizados são:

    - Silício (Si): VT ≈ 0,7 V- Germânio (Ge): VT ≈ 0,3 V

    ID

    VA VK+

    VD

    -

  • Polarização de diodos• Polarização direta:Circuito básico de polarização direta:

    - Idealmente, o diodo se comporta como uma chave fechada (curto) quando está polarizado diretamente (VD = 0V).

    Entretanto, a queda de tensão no diodo real é igual à tensão

    limiar.

    Ex.: para o diodo de silício, a queda de tensão no diodo é de

    aproximadamente 0,7V

    VD = VT ≈ 0,7 V

    A KA K

    (Idealmente)ID

    +

    VD

    -

  • Polarização de diodos

    • Polarização reversa:Circuito básico de polarização reversa:

    ���� O diodo não conduz a corrente elétrica.Considerações para polarização reversa:

    - A tensão no ânodo (VA) deve ser menor que a tensão no

    cátodo (VK). Isto é, VA < VK- A queda de tensão no diodo (VD = VA – VK) deve ser menor

    do que a tensão limiar do diodo (VD < VT).

    VA VK

    ID

    +

    VD

    -

  • Polarização de diodos

    • Polarização reversaCircuito básico de polarização reversa:

    - O diodo se comporta como uma chave aberta (circuito

    aberto) quando está polarizado reversamente.

    A K A KID

    +

    VD

    -

  • Curva característica de diodos

    • Relação VD x ID

    Onde,

    IS e VT são constantes características

    do diodo.

    IS é a corrente reversa de saturação

    (independente da tensão do diodo VD)

    Para diodos de Sílicio:

    IS = 10pA

    k = constante de Boltzman

    T = temperatura

    q = carga elétrica

    A temperatura ambiente:VT = 26mV

    � Os Modelos aproximados eliminam a necessidade de utilizar esta equação!

    *Diferença entre as curvas:

    resistência interna e a

    resistência dos contatos

  • Curva característica de diodos• Curva característica completa:

    ~0,7V para Si~0,3V para Ge

    Região Zener

    ����Deve ser evitada;

    �O Potencial máximo de polarização reversa que pode ser aplicado antes que

    o diodo entre na região Zener é chamado de Tensão de Pico Inversa

    (PIV – Peak Inverse Voltage) ou tensão de pico reversa (PRV – Peak Reverse Voltage) � disponível no DATASHEET do componente (fornecido pelo fabricante)

    Vz

    * Os Diodos Zener empregam apenas a Região Zener ���� próximas aulas!

    Polarização direta

    Polarização reversa

    Corrente direta ����

    Corrente reversa

    Polarização direta

    ~0,7V para Si~0,3V para Ge

  • Modelos de diodos (Circuitos equivalentes)

    ����Modelo utilizado nas aulas: Modelo simplificado

    Modelo Condições Circuito equivalente Curva característica

    (polarização direta)

    Modelo linear por

    partes

    --

    Modelo

    Simplificado

    Rcircuito >> rav

    Onde,

    rav = resistência interna CA

    média

    Modelo Ideal Rcircuito >> ravEcircuito >> VT

    Onde,

    VT = tensão de limiar

    =

  • Análise de circuitos básicos

    • Exemplo 1:Polarização direta

    ���� Diodo de Silício

    1º) Aplicar a 2ª Lei de Kirchhoff

    (Lei das tensões de malha);

    � Considerar o modelo aproximado

    simplificado;

    � VD = VT = 0,7V para Si

    (VD = VT = 0,3V para Ge)

    2º) Determinar a corrente ID

    3º) Determinar a tensão no resistor.

    *Exemplo:

    Considere os seguintes valores:

    E = 10V

    R = 1kΩ

  • Análise de circuitos básicos

    • Exemplo 2: circuito com diodo invertido (polarização reversa).

    - Determine VR e ID

    • Exemplo 3: polarização direta de um diodo de Germânio.

    E = 10V

    R = 1kΩ

    VT = 0,3V (Ge)

  • Análise de circuitos básicos

    • Exemplo 4: diodos de Silício em série:

    Determine Vo e IR

  • Análise de circuitos básicos

    • Exemplo 5: diodos de Silício e Germânio em série:

    Determine Vo e IR

    Respostas:

    IR = 1,96mA

    Vo = 11V

  • Análise de circuitos básicos

    • Exemplo 6:

    - Determine Vo

    Respostas:

    Vo = -0,44V

  • Análise de circuitos básicos

    • Exemplo 7: para o circuito apresentado abaixo, determine: I1, I2, ID2

    Respostas:

    I1 = 0,212 mA

    I2 = 3,32 mA

    ID2 = 3,108 mA

  • Tipos de diodos

    • Diodo retificador (comum):P.ex.: 1N4001 De potência

    SMD

  • Tipos de diodos

    •Ponte retificadora:�Utilizado na parte de retificação em uma fonte de

    alimentação contínua (veremos nas próximas aulas!)

    Exemplos:

  • Tipos de diodos

    •Ponte retificadora:�Utilizado para a parte de retificação em uma fonte de

    alimentação contínua (veremos nas próximas aulas!)

    Circuito interno e simbologia:

    ~

    ~

    +-

    Saída

    (sinal retificado)

    Entrada

  • Tipos de diodos

    • Diodo de alta velocidade:Por exemplo, 1N4148

    �O 1N4148 possui um tempo de chaveamento igual a 4ns

    (máx)

    • Diodos Schottky: chaveamento rápido.

    SMD

  • Tipos de diodos

    • Diodo Zener:�Utilizado como regulador de tensão

    Símbolo:

  • Tipos de diodos

    • Diodo LED (Light-emitting diode):

    Símbolo:

    •Observação: O LED não pode ser conectado

    diretamente à fonte de alimentação!

    Sempre conecte um resistor em série (limitador de corrente).

    P.ex.: 470Ω, 560 Ω

    A K

    Corte

    A K

  • Tipos de diodos

    • Diodo LED (Light-emitting diode):�LED RGB

    Tipo anodo comum

  • Tipos de diodos

    • Fotodiodo

    - Símbolo:

    Aplicações: sensores de posição,

    detectores de objetos, etc.

  • Tipos de diodos

    • Chave óptica

  • Tipos de diodos

    • Display de 7 segmentos-Construído com LEDs

  • Tipos de diodos

    • Display de 7 segmentos•Tipos:

    - Ânodo comum:

    - Cátodo comum:

  • Tipos de diodos

    • Display de 7 segmentosPinagem: Pino Significado

    1 E

    2 D

    4 C

    6 B

    7 A

    9 F

    10 G

    5 Dp (ponto)

    3, 8 comum

  • Tipos de diodos

    • Display de 7 segmentos- Outras configurações:

  • Tipos de diodos

    • Há outros tipos de diodo. Por exemplo,-Diodo Schottky-Diodo tunel-Diodo Varicap (utilizado como capacitor em filtros, sintonizadores, etc.)- Diodo de avalanche- Laser- etc...

  • Tipos de diodos•Tipos e símbolos:

  • Exercícios

    • Exercício 1: determine Vo

    • Exercício 2: determine Vo

  • Exercícios

    • Exercício 3: determine Vo e ID